科学方法论十一问

1. 什么是“科学方法论”?

科学方法论是从谎言和错觉中发现真理的最好方法。关于科学方法论的一个简单表达如下：

(1) 观察宇宙的某些方面。

(2) 提出一个能解释你的观察的理论(假说)。

(3) 应用这个理论进行预测。

(4) 用实验和观察检验你的理论。

(5) 在现有实验结果上改进理论。

(6) 回到步骤3。

这个定义没有考虑科学工作者在建立理论过程中的合作，也没有提到每个研究人员实际上不可能独自做每一个实验来证明每一个理论。在现实世界里，由于生命是短暂的，因此科学工作者必须相互信任才能完成工作。因此，当一个研究者做完一个实验并得到某些结果，其他人一般会接受这些结果。大多数人不会再去重复这些实验。

实验的某些部分的确会被其他研究者重复。因此，大多数科学论文都有实验步骤介绍，用来告诉其他研究者如何继续这个工作。通常继续前人工作的第一步就是重复他们的实验。那么如果一个理论是一个领域的起点的话，最初的实验有可能会被重复很多次。

一些人会提到“Kuhn范式移动”。这是指通常缓慢发展的科学知识会由于偶然的突发事件而出现全新的面貌。在科学史上的确出现过这种情况，但是科学的发展仍然会遵照上面的步骤进行。

同时我们也注意到，许多科学哲学家会说:根本不存在“科学方法论”这样一个东西。

2. 事实、理论和假说之间有什么区别?

在日常用语中，理论是一种含混模糊的东西。但对于科学家而言，理论是一种概念的框架，可以用于解释现有事实和预测未知事实。例如，今天我看到太阳升起。这是事实。这个事实可以被以下理论解释：地球是圆的，围绕自身的轴自转，同时绕太阳轨道飞行。这个理论也可以解释其它事实，例如季节和月相，这样我们就可以预测下一天的情况。

这表明在某种情况下事实和理论可以互换。作为理论的一个实例，太阳系的组成通常可以看作由牛顿万有引力理论解释的事实。以下类推。

假说是一种尝试性的、但是还没有得到验证的理论。通常，一位研究者会提出一个假说，然后将它与现有数据进行比较，看看它是否“不漏水(hold water)”(是否经得起考验)。如果这个假说的确“不漏水”，那么研究者可以宣布这是一个理论。

科学理论或假说的一个重要特征是：它是“可以被证伪的”。这表明科学理论允许将来有某些实验或发现证明这些理论是错误的。例如，Einstein的相对论对一些实验的结果做了预测。这些实验完全有可能得到与Einstein的预言相矛盾的结果，从而使相对论被推翻(或证伪)。(事实上，实验结果最后支持了相对论。)

在另一方面，还有一些假说或理论是不能被证伪的，例如，“有一个看不见的snorg站在你背后观察你的工作”。由于没有实验或证据可以证明看不见的snorg不存在，因此Snorg假说不是科学的推断。然而，“负Snorg假说”(即不存在Snorg的假说)是科学的。因为，只要你抓住一个Snorg，就可以推翻这条假说。类似的道理也可应用于雪人、UFO和尼斯湖怪兽是否存在的科学判断。

3. 科学真的可以证明什么东西吗?

是或不是。取决于你的“证明”是什么含义。

例如，对于“抛出去的物体会落回地面”这一点我们不会有疑问(此处暂不考虑航天器或比空气还轻的气体)。所以我们的观察是“物体下落”。于是当我把一块石头抛向天空时，预言这块石头最终会落下来。Wow - 的确如此!

但是某一次，我抛出了一块石头，它没有落下来，它不见了。那么上面那个简单的事实也没有得到证实。但是如果你声称下一次石块也不能落回来就是非常不恰当的了，因为石块盘旋而上或悠悠飞走的可能性并不存在。在日常生活中，我们可以说“物体下落”的理论是正确的。

你或许认为事实或者理论(不仅是科学的，也包括日常生活中的)应当是非常确定的东西。这里，我们按照确定性的高低把它们分为上、中、下三个层次。上层如“物体下落”，它是非常确定的;下层如“地球是平的”，它被证明是错误的;中间层次如“地球将毁灭于人类活动”，对此人们还有很大争议。科学理论更接近于上层，但是没有一条科学理论真正达到完全确定的层次。(科学怀疑论者通常把矛头指向非常接近上层的科学理论。)如果你想要讨论更接近中间层次的思想(即那些在科学界里仍在激烈争论的事情)，你最好去询问一些适当的专家。

(译注：科学怀疑论者是指对科学抱怀疑态度的人，但是有时也指永不满足现有理论的科学家本身。例如，波义耳曾著《怀疑的化学家》。)

4. 如果说真理在变化中，那么事实究竟在哪里?

1666年，Issac Newton提出万有引力理论。这是一项有史以来人类最伟大的智慧杰作之一。这个理论解释了当时所有已知的事实，并且做了一些预言。这些预言后来得到检验，发现在仪器精度范围内这个理论是正确的。因此当时人们可以说，Newton理论是真理。

在19世纪，更精确的仪器被制造出来，并用于检验Newton的理论，但是人们发现一点微小的偏差(例如，水星的轨道不太准确)。后来，Albert Einstein提出了相对论。相对论可以解释新的事实，并做出了更多的预测。这些预测现在已经得到了检验，人们发现在仪器精度范围内这些预测是正确的。因此现在人们可以说，Einstein的理论是真理。

那么真理怎么会改变?回答是，它没有变。宇宙仍然是那个宇宙，Newton理论仍然象从前一样是正确的。如果你现在正在学大学物理，你仍然会学到Newton定律。你可以应用它们做出预测，这些预测仍然是对的。只有当你考虑那些运动速度接近光速的物体时，才需要考虑使用Einstein的理论。如果你对那些常速运动并且远离强引力场的物体使用相对论，你会得到与Newton理论(几乎)一样的结果。区别只是在使用Einstein理论时，你会在计算上花更多的时间，因为相对论涉及非常多的数学计算。

关于真理的另一个注解：科学不做道德判断。任何试图从自然法则中引申出道德诫律的人都将使自己处于非常危险的境地。关于这一点，进化论是一个显著的(深受其害的)例子。在历史上，进化论曾被用于证明纳粹、共产主义或其它介于二者之间的“主义”的合法性。这些证明完全是荒谬的。与之类似，任何宣称“进化论是邪恶的，因为它曾被用于支持共产主义”的人也不符合逻辑。(译注：原作者把共产主义与纳粹和邪恶相提并论，反映了西方心态。译者本着保持原作面貌的原则予以保留，相信读者自有公断。)

5. “非常的要求需要非常的证据”("Extraordinary evidence is needed for an extraordinary claim")

非常的要求是指推翻一个非常确定的理论(如上面所述的处于上层的理论)。那么如果你打算推翻这样一条理论，你最好握有更高确定性层次的事实。

6. 什么是Occam剃刀(Occam's Razor)?

Ockham剃刀("Occam" 为拉丁语变体) 是15世纪时William of Ockham提出来的一个原理。原意为“不应当不必要地增加事物的复杂性”。如果你有两个理论，它们都可以解释所有事实。你应当选择其中最简单的一个理论，除非有更多的事实出现。参见W.M. Thorburn, "The Myth of Occam's Razor," Mind 27:345-353 (1918)，其中有关于Ockham的详细研究。

剃刀背后的理由是，对于任意一组事实，会有无数多个理论能够解释它们。例如，在图上有四个点排成一条直线，那么最简单的理论解释是它们之间存在一个线性关系。当然你也可能做出无数条曲线通过这四个点。没有证据表明直线关系是正确的，但是它是所有可能关系之中最简单的。因此，你可以应用这个理论，直到某个人发现一个不在直线上的点。

同样，如果你有数千个点在一条直线上，而某个人说有一个点在线外。公平地讲，更可能是那个人错了。

下面是一个反对Occam剃刀的论点：

“这个最简假说已经被证明是错误的;真理是更复杂的。因此Occam剃刀并不管用。”

这是一个典型的稻草人论点(即与并不存在的对手进行争论的论点)。剃刀从来不会告诉我们什么是真理，而是告诉我们应当首先检验什么。一个假说越简单，也就越容易得到检验。

一个相关的用于分析“开放共谋理论”的规则，被称为Hanlon剃刀，即：“永远不要把可以用愚蠢来充分说明的行为归因为阴谋”。这个定义来自The Jargon File(edited by Eric Raymond)。

7. “伽利略受到迫害，就像我们今天一样!”

那些提出非常理论的人经常引证伽利略作为伟大天才而受到迫害的例子。他们说，现在的科学体制害怕自己被证明是错误的，因此试图压制真理。

这是一个经典的阴谋论。阴谋者包括那些指出这些研究者的理论缺陷的所有科学家。

通常对这些说“他们嘲笑哥伦布，他们嘲笑伽利略”的人的最佳反驳是说：“但是他们也嘲笑小丑”(引自 Carl Sagan, Broca's Brain, Coronet 1980, p79)。

顺便要提及的是，关于伽利略和受人嘲笑的哥伦布的故事我们还有所保留。

在伽利略理论的早期，教会官员还是有兴趣的，而且有时支持他，尽管当时教会还没有发现一个办法将新理论与神学整合在一起。他的主要对手是维护原有理论的科学家 - 因为伽利略不能提供坚实的证据，所以他们不肯接受他的模型。这时伽利略开始变得急躁起来。他宣称这些人是傻瓜，并公开宣布他的理论是唯一正确的，因而与教会权威发生了冲突。

再说可怜的哥伦布。当哥伦布建议开拓“西部航线”时，“地球是圆的”已经是常识，尽管当时对地球的直径仍然有争议。哥伦布相信地球很小，而他的反对者认为“西部航线”太遥远。如果不是美洲出现在他的航线上，他很可能会失败。关于“哥伦布由于相信地球是圆的而受到嘲弄”的说法出自一位美国作家对历史的有意歪曲。

8. 什么是 "实验者效应"?

这是一种由实验者无意引入的偏差。它可能以如下两种形式出现：

科学家在实验中必须努力探寻非常微弱的效应或发现相似事物之间的差别。

科学实验要求使用同样的处理步骤处理大量样品，从而确保实验结果可以重复。

注意上述两种情况都不涉及有意的欺骗行为。

第一类偏差的一个经典实例是二十世纪早期发现的“N射线”。检测它们要求研究人员在闪烁器上寻找非常微弱的闪光。许多科学家报告发现了这种射线。但是事实上所谓“N射线”并不存在，他们都被仪器愚弄了。细节参见“The Mutations of Science” in Science Since Babylon by Derek Price (Yale Univ. Press)。

第二类偏差的一个典型例子是上个世纪进行的人种与大脑容量之间关系的研究。脑容量的测量是用融化的铅水或芥菜籽来填充颅骨，然后测量脑区的体积。由于不同研究者的填充方式不同，尽管他们每个人都能重复自己的结果，但是相互之间的结果相差很大。事实上人们最后发现人类各人种之间脑容量几乎没有差别。想了解更详细的故事细节，请阅读Stephen Jay Gould 的The Mismeasure of Man。

更多的内容可参考:

T. X. Barber, Pitfalls of Human Research, 1976.

Robert Rosenthal, Pygmalion in the Classroom.

9. 科学中有多少欺骗成分?

这个问题无法直接回答，因为未被发现的欺骗行为到底有多少谁也说不清。当然在科学史中出现过许多欺骗行为。一些人因此会说所有的科学发现(特别是那些他们不喜欢的)都分文不值。

这种说法忽视了科学工作者不断对实验结果进行重复的事实。任何重要的科学成果都会由很多人进行很多次重复。所以，(例如)关于“科学家在碳-14断代实验中说谎”的说法实际上是在指控大量的科学研究者参与了一场大阴谋。这种指控是不能令人信服的。参考“Hanlon剃刀”。

事实上，存在已知的、有文献记载的欺骗行为恰恰反映了科学的自我修正能力。如果一小部分研究者是骗子其实并没有关系，因为无论他们做出什么重要的工作，除非能得到独立证实，都不会受到严肃对待。因此他们必然约束自己在一些没有人感兴趣的领域里做一些没有人重视的工作，或者只是做一些可以预料结果的工作。对于任何有天分和雄心壮志的研究者来说，这种工作不会是一种有乐趣的职业。

而且，大多数科学工作者是理想主义者。他们在科学中感受自然之美，以科学发现为天职。如果科学失去乐趣，他们会去从事其它更有意义的职业。以上分析表明，仍未发现的欺骗行为是很少的，也是不太重要的。

但是上述观点在医药领域里不成立。因为企业对利润的追求使得它们通过不断压制新的研究成果或篡改数据来支持他们自己的产品。烟草公司会定期发布研究报告“证明”吸烟无害，药厂伪造和压制有关其主要产品安全性或有效性的实验数据。关于更多科学欺骗行为的细节，参见 False Prophets by Alexander Koln。

一本标准的北美教材是Betrayers of the Truth: Fraud and Deceit in Science by William Broad and Nicholas Wade (Oxford 1982)。

有一个邮件组SCIFRAUD，它公开讨论科学界中的欺骗行为和其他可疑行为。如果想登录这个邮件组，就发一封“sub scifraud ”的邮件给“listserv@uacsc2.albany.edu”。

10. 孟德尔(Gregor Mendel)的数据是捏造的吗?

孟德尔是一位19世纪的(奥地利)修道士，他发现了遗传法则(如显性基因和隐性基因等)。最近的一些分析结果认为孟德尔的实验结果“太好了，以至于不可能是真的”。孟德尔的遗传学说包括了从(物种的)上一代随机选择一些特征，然后研究这些特征在下一代中出现的几率。从孟德尔的原始数据来看，他的结果并不是完全随机的。但这并不能暗示孟德尔的研究中有欺骗行为。

首先，实验不会盲目进行(参见“双盲实验”和“实验者效应”)。决定某一个豌豆是否有皱褶需要实验者的主观判断，因此主观愿望有可能会把孟德尔引向他所预期的结果。这是“实验者效应”的一个实例。

其次，孟德尔的定律仅仅是近似的。事实上，后来的研究表明，某些遗传特征并非如孟德尔定律所讲的完全随机遗传。

第三，孟德尔可能没有发表“失败的”的实验结果。特别令人感兴趣的是，在孟德尔发表的论文中，所有七个特征都是由单一基因决定的。他没有发表任何具有更复杂遗传性质的实验。实际上，孟德尔后期开始对一个更复杂的植物(水兰)进行研究，但是他不能解释自己的实验结果，令他对实验感到失望。最终他放弃了植物学研究。

参见 The Human Blueprint by Robert Shapiro (New York: St. Martin's, 1991) p. 17。

11. 科学家戴着有色眼镜吗?

一个最常见的对主流科学的指责是：“科学工作者只愿看到他们希望看到的东西。科学家经常拒绝检验某些边缘思想，因为‘科学’告诉他们这纯粹是浪费时间和精力。因此他们会漏过(一些)可能非常有价值的思想。”

这就是“有色眼镜”问题，科学的批评者认为它与马的眼罩功能相似。(驾车人用皮制眼罩挡住马的视线，使马只能看到它眼前的路。)这种观点常常由“新时代信仰”和“另类医学”的支持者提出来。

当然，科学主流之外的思想获得承认需要一个艰难的过程。但是在另一方面，发动一场科学革命是如此诱人：财富、名誉、还有诺贝尔奖都会随之而来。那么总会有一两位科学家愿意寻找一些新的东西。

如果你有了一个绝妙的新想法，请记住：证明它也是你的责任。在Sci. Skeptic (译注:“怀疑的科学家”，这是一个科学讨论组)上贴出你的想法和解释是一个不错的开始。这个讨论组的许多读者都是专业研究人员。他们会提供建设性的建议或给你一些相关的文献指引(偶而也会有错误)。听他们的。然后回去读这些文章，在新知识的基础上改进你的理论，然后再找人询问。进行一场科学革命是一个长期的、艰巨的工作。不要期望它会很容易。如果容易的话，我们每个星期都会来一次革命。